炭黑含量测定方法标准对比研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.10.020

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (10): 120-125.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.10.020

炭黑含量测定方法标准对比研究

李岩¹^,²(), 张伟杰¹^,², 唐晓旭¹^,², 姜磊¹^,², 黄家文¹^,², 程德宝³

^1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013
^2.国家建筑工程技术研究中心，北京 100013
^3.河北宇通特种胶管有限公司，河北衡水 053500

收稿日期:2021-03-25 出版日期:2021-10-26 发布日期:2021-10-27
作者简介:李岩（1992—），女，中级工程师，从事建筑材料研究，2544713316@qq.com
基金资助:
中国建筑科学研究院有限公司青年科研基金项目(20200112331030035)

Comparative Study of Test Methods for Carbon Black Content

LI Yan¹^,²(), ZHANG Weijie¹^,², TANG Xiaoxu¹^,², JIANG Lei¹^,², HUANG Jiawen¹^,², CHENG Debao³

^1.China Academy of Building Research，Beijing 100013，China
^2.National Engineering Research Center of Building Technology，Beijing 100013，China
^3.Hebei Yutong Special Rubber Hose Co，Ltd，Hengshui 053500，China

Received:2021-03-25 Online:2021-10-26 Published:2021-10-27

摘要/Abstract

摘要：

对比了3个国内外炭黑含量测定方法标准，探讨了管式电炉法、马弗炉法、热重分析仪法等3种测试方法的差异，并据此对GB/T 13021—XXXX《聚乙烯管材和管件炭黑含量的测定（热失重法）》标准的修订提供了建议。结果表明，GB/T 13021—1991包含的测定方法较为单一；建议GB/T 13021—XXXX标准修订时，在管式电炉法中，增加若使用氧气含量小于0.002 %的氮气则可不进行除氧等规定，并增加试验前对样品舟的清洁和称重要求；增加马弗炉法（传统马弗炉法和微波马弗炉法）和热重分析仪法；马弗炉法建议称重步骤采用ISO 6964?2019的规定；热重分析仪法建议在ISO 6964?2019规定的基础上，增加取样部位和取值说明要求。

关键词: 聚乙烯, 管材, 炭黑, 含量, 管式电炉法, 马弗炉法, 热重分析仪法

Abstract:

This paper compared three test methods and standards of carbon black content at home and abroad and discussed the differences among the three test methods， including the tubular electric furnace method， muffle furnace method， and thermogravimetric analysis method. Based on the comparative studies， some suggestions were provided for the revision the GB/T 13021—1991 standard. The results indicated that the determination method included in the GB/T 13021—1991 standard was relatively simple. To revise the GB/T 13021—1991 standard， some regulations were recommended to be included. For example， if the nitrogen with an oxygen content of less than 0.002 %， oxygen removal may not be carried out in the tubular electric furnace method. The other regulations were also suggested to use， including the requirement for cleaning and weighting the sample prior to the formal test， appending a muffle furnace method （either a traditional muffle furnace method or a microwave muffle furnace method） and a thermogravimetric analyzer method. In muffle furnace method， weighing steps were recommended to adopt according to the provisions of the ISO 6964?2019 standard. In the thermogravimetric analyzer method， the sampling position and value description were recommended to be included in addition to the provisions of ISO 6964?2019.

Key words: polyethylene, pipe, carbon black, content, electrical tube furnace, muffle furnace, thermogravimetric analyzer

中图分类号:

TQ320.77

李岩, 张伟杰, 唐晓旭, 姜磊, 黄家文, 程德宝. 炭黑含量测定方法标准对比研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(10): 120-125.

LI Yan, ZHANG Weijie, TANG Xiaoxu, JIANG Lei, HUANG Jiawen, CHENG Debao. Comparative Study of Test Methods for Carbon Black Content[J]. China Plastics, 2021, 35(10): 120-125.

图/表 8

参考文献 12

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序号	标准号	标准名称
1	GB/T 15558.1—2015	《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统第1部分：管材》（材料章节）
2	GB/T 15558.2—2005	《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统第2部分：管件》（材料章节）
3	GB/T 15558.3—2008	《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统第3部分：阀门》（材料章节）
4	GB/T 13663.1—2017	《给水用聚乙烯（PE）管道系统第1部分：总则》（材料章节）
5	GB/T 13663.2—2018	《给水用聚乙烯（PE）管道系统第2部分：管材》（材料+管材章节）
6	GB/T 13663.3—2018	《给水用聚乙烯（PE）管道系统第3部分：管件》（材料章节）

序号	标准号	标准名称
1	GB/T 15558.1—2015	《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统第1部分：管材》（材料章节）
2	GB/T 15558.2—2005	《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统第2部分：管件》（材料章节）
3	GB/T 15558.3—2008	《燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统第3部分：阀门》（材料章节）
4	GB/T 13663.1—2017	《给水用聚乙烯（PE）管道系统第1部分：总则》（材料章节）
5	GB/T 13663.2—2018	《给水用聚乙烯（PE）管道系统第2部分：管材》（材料+管材章节）
6	GB/T 13663.3—2018	《给水用聚乙烯（PE）管道系统第3部分：管件》（材料章节）

标准分类	标准号	标准名称
国家标准	GB/T 13021—1991	《聚乙烯管材和管件炭黑含量的测定》
国家标准	GB/T 2951.41—2008	《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第41部分：聚乙烯和聚丙烯混合料专用试验方法——耐环境应力开裂试验——熔体指数测量方法——直接燃烧法测量聚乙烯中炭黑和（或）矿物质填料含量——热重分析仪法（TGA）测量炭黑含量——显微镜法评估聚乙烯中炭黑分散度》
国际标准	ASTM D 1603?20	《烯烃塑料中炭黑含量的测试方法》（Standard test method for carbon black content in olefin plastics）
	ASTM D 4218?20	《马弗炉法测定聚乙烯聚合物中炭黑含量的试验方法》（Standard test method for determination of carbon black content in polyethylene compounds by the muffle?furnace technique）
	ISO 6964?2019	《聚烯烃管材及管件煅烧和热解法测定炭黑含量的试验方法》（Polyolefin pipes and fittings—determination of carbon black content by calcination and pyrolysis —test method）

标准分类	标准号	标准名称
国家标准	GB/T 13021—1991	《聚乙烯管材和管件炭黑含量的测定》
国家标准	GB/T 2951.41—2008	《电缆和光缆绝缘和护套材料通用试验方法第41部分：聚乙烯和聚丙烯混合料专用试验方法——耐环境应力开裂试验——熔体指数测量方法——直接燃烧法测量聚乙烯中炭黑和（或）矿物质填料含量——热重分析仪法（TGA）测量炭黑含量——显微镜法评估聚乙烯中炭黑分散度》
国际标准	ASTM D 1603?20	《烯烃塑料中炭黑含量的测试方法》（Standard test method for carbon black content in olefin plastics）
	ASTM D 4218?20	《马弗炉法测定聚乙烯聚合物中炭黑含量的试验方法》（Standard test method for determination of carbon black content in polyethylene compounds by the muffle?furnace technique）
	ISO 6964?2019	《聚烯烃管材及管件煅烧和热解法测定炭黑含量的试验方法》（Polyolefin pipes and fittings—determination of carbon black content by calcination and pyrolysis —test method）

内容	GB/T 13021—1991	ISO 6964?2019	ASTM D 1603?20
试剂	活性铜、乙酸锰	方法1：邻苯三酚溶液方法2：加热的铜丝、箔或金属丝方法3：—	方法1：氢氧化钾?邻苯三酚溶液方法2、方法3：铜丝、箔或金属丝
设备	串联2根玻璃管，分别装有活性铜和乙酸锰，并配有电热丝和温度控制装置。也可用其他除氧装置。	方法1：— 方法2：— 方法3：净化装置	方法1：玻璃阱中装有氢氧化钾?邻苯三酚溶液，将玻璃阱插入干燥管的端部（见图1）方法2：将塞子装上一根干净的铜丝、箔或金属丝方法3：燃烧管内填充干净的铜丝、箔或金属丝
步骤	氮气依次通过活性铜（预先加热到180 ℃）和乙酸锰及流量计后进入炉体	方法1：氮气通过邻苯三酚溶液后进入炉体方法2：氮气经过加热的铜丝、箔或金属丝后进入炉体方法3：氮气经过净化装置后进入炉体	方法1：氮气先通过玻璃阱进入干燥管，再进入炉体中方法2：将塞子置于样品前插入到燃烧管中（见图1），氮气通过塞子进入燃烧管，而后进入炉体中方法3：氮气通过燃烧管进入炉体
结果	氧含量应小于0.002 %	氧含量应小于0.002 %	氧含量应小于0.01 %［若使用氧气含量小于0.002 %的氮气，则无需进行除氧（见ASTM D 1603?20 6.3.1—6.3.4）］

炭黑含量测定方法标准对比研究

Comparative Study of Test Methods for Carbon Black Content

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标准号	炭黑含量测试方法
标准号	管式电炉法	传统马弗炉法	微波马弗炉法	热重分析仪法
ASTM D 1603?20	√	—	—	—
ASTM D 4218?20	—	√	—	—
ISO 6964?2019	√	√	√	√
GB/T 13021—1991	√	—	—	—

内容	GB/T 13021—1991	ISO 6964?2019	ASTM D 1603?20
放置样品	以200 mL/min通入氮气，约5 min；将装有样品的样品舟推入管式电炉的中心	将装有样品的样品舟放入燃烧管入口，以200 mL/min通入氮气，约5 min；将燃烧管推入管式电炉的中心	将装有样品的样品舟放入燃烧管中，以（1.7±0.3） L/min通入氮气，至少5 min；将燃烧管推入管式电炉的中心
热解	550 ℃，45 min后，将样品舟移入低温部分，以100 mL/min继续保持通入氮气10 min	550 ℃，45 min后，将样品舟移入低温部分，以100 mL/min继续保持通入氮气10 min	600 ℃，至少15 min后，将样品舟移入低温部分，以（1.7±0.3） L/min继续保持通入氮气5 min
干燥冷却、称重	干燥器中冷却称重	干燥器中冷却称重	干燥器中冷却至少30 min后称重
煅烧	（900±50） ℃，直至炭黑完全消失	（900±25） ℃，直至炭黑完全消失	600 ℃、10 min，直至炭黑完全消失
干燥冷却、称重	干燥器中冷却称重	干燥器中冷却称重	干燥器中冷却样品舟，直到室温

内容	ISO 6964?2019	ASTM D 4218?20
试验盘材质	石英坩埚	一次性铝制
试样盘清洁	（900±25） ℃，1 h	600~610 ℃，2 min
试样质量	1~10 g	1 g

测试步骤	ASTM D 4218?20	ISO 6964?2019
测试步骤	ASTM D 4218?20	传统马弗炉法		微波马弗炉法
热解	600~610 ℃，3 min	升温	（325 ± 25） ~ （550 ± 25） ℃ 升温速率：（10±1） ~ （15±1） ℃/min	（550±25） ℃ （10±5） min
		恒温	（550±25） ℃，（10±5） min
		降温	（550±25）~（325±25） ℃ 降温速率：（15±1） ℃/min
	干燥器中冷却至少2 min后称量	干燥器中冷却至少30 min后称量
煅烧	600~610 ℃，10 min	（900±25） ℃，（30±5） min；关闭马弗炉，等待温度降至500 ℃以下，取出坩埚
煅烧	干燥器中冷却至少2 min后称量	干燥器中冷却至少30 min后称量

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